PCB设计高速背板设计和PCB布局技巧

2020-11-23

PCB设计如果需要将多(duō)个板连接到一个较大的系统中并在它们之间提供互连，则可(kě)能(néng)会使用(yòng)背板来排列这些板并进行级联。背板是高级板，它借鉴了高速设计，机械设计，高压/大電(diàn)流设计甚至RF设计中的某些元素。这些板通常用(yòng)于关键任務(wù)防御系统，電(diàn)信系统和数据中心。他(tā)们采用(yòng)自己的一套标准，这些标准超出了IPC的可(kě)靠性要求。

尽管背板遵循许多(duō)其他(tā)PCB所不具备的特定标准，但许多(duō)PCB设计人员都熟悉布局和布線(xiàn)所涉及的概念。起初，大量的连接器和网络以及典型背板上的狭窄空间似乎很(hěn)困难。尽管如此，一些简单的策略仍可(kě)以帮助您保持组织结构并完成背板设计，同时确保高可(kě)靠性。我的希望是，您将學(xué)习一些在布線(xiàn)和布局方面实现下一个背板设计的策略，以平衡可(kě)靠性和信号完整性。没有(yǒu)更多(duō)的内容，让我们跳入PCB设计的这一丰富领域。

背板设计入门

背板设计，布局和布線(xiàn)入门需要采取多(duō)种角度。这些设计可(kě)能(néng)很(hěn)困难，因為(wèi)您可(kě)能(néng)会发现自己在空间和层数有(yǒu)限的情况下管理(lǐ)大型板上的数千个连接。此外，背板可(kě)能(néng)实际上参与了向子卡的供電(diàn)，并且每个子卡可(kě)能(néng)正在通过各种高速设备拉动多(duō)个安培電(diàn)流。这意味着您的背板可(kě)能(néng)需要支持约100 A的電(diàn)流。

由于背板的主要功能(néng)是在大型系统中的多(duō)个板之间提供连接，因此一切都围绕着您将要使用(yòng)的连接器展开，而这些连接器正是您设计的起点。以下是背板设计中涉及的一些基本任務(wù)：

引脚排列：第一步是确定连接器上的引脚排列，以支持所需的路由拓扑。我将在下面进一步介绍这一点。

机械要求：除了正确放置子板连接器之外，导销还用(yòng)于确保正确的配合和结构完整性。该列表底部的图像显示了与背板连接器一起使用(yòng)的典型导销。

材料选择：对于高速背板，这是设计过程中的关键点。由于背板可(kě)能(néng)非常大，因此任何需要在整个平面上传播的信号都可(kě)能(néng)会遭受重大损失。需要具有(yǒu)紧密玻璃编织的低损耗层压板，以最大程度地减少長(cháng)互连上的插入损耗。

電(diàn)源和接地策略：对于需要為(wèi)大量子板提供高功率的背板，您将需要有(yǒu)助于保持低温的電(diàn)源和接地策略。不同平面层上的接地/電(diàn)源平面布置还应為(wèi)隔离在電(diàn)路板上的高速信号提供隔离。

层数：背板所需的层数将取决于平面层数以及所需的信号层数。背板最多(duō)可(kě)以有(yǒu)24层，厚度為(wèi)几毫米，可(kě)以满足所有(yǒu)设计要求。

上面的要点与任何其他(tā)高速设计中需要考虑的要点相同。但是，一旦您在背板上工作，情况就会有(yǒu)所不同，因為(wèi)连接器的引脚排列会限制布線(xiàn)。这是背板设计的重要组成部分(fēn)，应仔细计划。

全部涉及连接器，引脚分(fēn)配和布線(xiàn)

初始设计阶段的大部分(fēn)重点将放在背板上的连接器上。选择连接器（包括用(yòng)于背板连接器）既是一门艺术，也是一门科(kē)學(xué)，这些连接器将成為(wèi)信号完整性的主要决定因素。為(wèi)了确保信号在连接器跟踪接口处不会过度衰减，仿真非常重要。

连接器中的引脚排列也很(hěn)重要，因為(wèi)它有(yǒu)助于简化每一层的布線(xiàn)。特别是，您的引脚排列应实现两个目标：

它的设计应防止在将给定层上的信号路由到背板总線(xiàn)上的所有(yǒu)连接器时彼此交叉。如果做得正确，您可(kě)能(néng)可(kě)以消除一些信号层。

理(lǐ)想情况下，当到达每个连接器上的插针时，布線(xiàn)应该在整个背板（大部分(fēn)水平）上流畅。

最好以逐行的方式完成，类似于下面显示的差分(fēn)对路由。请注意，每个连接器上的引脚如何在每一列中错开，从而允许差分(fēn)对中的走線(xiàn)进入连接器引脚的行之间。如果所有(yǒu)引脚都在同一列中，那么我需要2层而不是1来进行如下所示的布線(xiàn)。

考虑到所有(yǒu)这些设计要求，我发现很(hěn)难在我的第一个背板中实现所有(yǒu)这些平衡，而且我们甚至没有(yǒu)进行初始组件布置。您在组件布置方面不会有(yǒu)很(hěn)大的自由度，但是只要将引脚排列在整个连接器中并保持一致，就可(kě)以在通过底板路由信号时使事情井井有(yǒu)条。帮助您成功的其他(tā)一些技巧包括：

通过高速信号的跳变最小(xiǎo)化。每个通孔都会增加互连的插入损耗，并且需要尽可(kě)能(néng)减少插入损耗。

通过过渡进行高速反钻。 反向钻孔会增加成本，但会最大程度地减少長(cháng)输電(diàn)線(xiàn)上的短截線(xiàn)不连续性。

不要害怕倒地。使用(yòng)接地倒流有(yǒu)助于在不同的高速走線(xiàn)组之间进行隔离，确保一致的阻抗曲線(xiàn)，并為(wèi)高回流電(diàn)流提供充足的导體(tǐ)。

使所有(yǒu)未使用(yòng)的信号层成為(wèi)平面层。如果您要通过背板供電(diàn)，请不要担心将额外的電(diàn)源板丢入叠层中。在多(duō)个電(diàn)源层之间分(fēn)配電(diàn)流有(yǒu)助于保持PDN冷却。

背板设计不适合胆小(xiǎo)的人，因為(wèi)它需要多(duō)个专业才能(néng)成功。但是，如果您拥有(yǒu)合适的设计师团队和一整套设计工具，则可(kě)以在一个平台上完成设计过程的大多(duō)数方面。您将能(néng)够完成背板设计，并通过一个程序為(wèi)生产做好准备。